在細(xì)胞間期，染色質(zhì)絲在細(xì)胞核內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)遵循一個(gè)基本原則——區(qū)室化。在此基礎(chǔ)上，condensin II幫助各條染色體盤踞形成染色體疆域（chromosome territory）；而cohesin則在DNA上滑動，擠出染色質(zhì)環(huán)，并與CTCF蛋白共同介導(dǎo)形成染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域（TADs）。目前，植物領(lǐng)域?qū)θ旧|(zhì)高級結(jié)構(gòu)的研究存在著兩個(gè)主要問題：1. 不同植物的染色體疆域結(jié)構(gòu)由什么決定？有的植物，比如小麥，有完整的condensin II，但其染色體卻沒有形成疆域，反而呈現(xiàn)染色體臂延著絲粒對折的Rabl構(gòu)型1。2. 植物中類TAD結(jié)構(gòu)如何形成，且是否具有生物學(xué)功能？植物中缺少CTCF蛋白，但在很多植物的Hi-C圖譜上也能觀察到類似TAD的三角形結(jié)構(gòu)，例如地錢中的TCP1-rich TAD2，然而這些結(jié)構(gòu)的功能尚不明確。
2024年12月28日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院何航與鄧興旺團(tuán)隊(duì)與中科院武漢植物園李大衛(wèi)研究員在Advanced Science合作發(fā)表論文Chromatin topological domains associate with the rapid formation of tandem duplicates in plants，揭示了植物染色體Rabl構(gòu)型的產(chǎn)生規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)一類由串聯(lián)重復(fù)基因簇形成的TAD-like結(jié)構(gòu)參與了植物基因組進(jìn)化。
研究收集了10+不同植物基因組和Hi-C測序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)Rabl構(gòu)型的出現(xiàn)與否與植物基因組大小密切相關(guān)（圖1）。而在更精細(xì)的尺度上，串聯(lián)重復(fù)基因簇（TDGC）總是偏向性形成一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域。這類結(jié)構(gòu)域的形成不依賴于組蛋白H3K27me3修飾，且在物種間非常保守，但其結(jié)構(gòu)上又沒有典型的CTCF介導(dǎo)的頂端互作，我們因此稱之為TAD-like domain（圖2）。
圖1. 植物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因組大小相關(guān)。
圖2. TDGC形成的TAD-like domain在物種間非常保守。
關(guān)于TAD-like domain的功能存在兩種假設(shè)：1. 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域可以幫助其內(nèi)的基因共享轉(zhuǎn)錄機(jī)器和表觀修飾，以實(shí)現(xiàn)基因協(xié)同表達(dá)3。2. 在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)越大的基因簇越傾向于形成TAD-like domain，反之推測，這些結(jié)構(gòu)域參與促進(jìn)了基因的串聯(lián)復(fù)制。在中華獼猴桃基因組中的計(jì)算結(jié)果顯示，TAD-like domain對基因共表達(dá)的作用非常有限。值得注意的是，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域內(nèi)部發(fā)生基因串聯(lián)重復(fù)的頻率要顯著高于結(jié)構(gòu)域外部。該現(xiàn)象在軟棗獼猴桃中同樣存在，而在獼猴桃近親——黃花杜鵑中并沒有發(fā)現(xiàn)（圖3）。因此，TAD-like domain或可以加速串聯(lián)重復(fù)基因的產(chǎn)生，但該功能未能在物種演化歷程上被完全地保持下來。
圖3. 在獼猴桃中，TAD-like domain內(nèi)部基因串聯(lián)復(fù)制頻率更高。
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院何航研究員、鄧興旺教授和中科院武漢植物園李大衛(wèi)研究員為該論文的共同通訊作者。北京大學(xué)博士生馬妮、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院科研助理李曉鵬和副研究員次東為共同第一作者。該研究受國家自然科學(xué)基金和山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院超算中心為本研究數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算提供支持。
參考文獻(xiàn)：